05_fundiciÓn gris nucleaciÓn

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FUNDICIÓN GRIS

NUCLEACIÓN DEL GRAFITO Estructura cristalina del grafito

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Celda unidad HCP.

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Direcciones de los planos de la celda HCP del grafito

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NUCLEACIÓN

Celda Eutectica

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NUCLEACIÓN

Diferencia entre la temperatura delos dos eutécticos en función de la velocidad de enfriamiento

Curvas de análisis térmico en función de la velocidad de enfriamiento

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NUCLEACIÓN

Los mecanismos de nucleación del grafito aún no se entienden definitivamente sin embargo existen dos criterios básicos tradicionales:

El Grafito pre-existente en el metal líquido, actúa como centro de nucleación. Los elementos que se segregan durante la solidificación de la austenita primaria, tales como: oxigeno, calcio, aluminio, azufre y manganeso que se combinan o interactúan contribuyen para generar los centros de nucleación.

Para crear estas condiciones se adicionan a las coladas, ferrosilicio, grafito o Silicio-calcio. La adición de FeSi y Si puros son inefectivos como inoculantes. El potencial de nucleación depende de los elementos, Ca, Al, Zr, Sr y Ti en las aleaciones. El papel de estos elementos es aún motivos de investigaciones.

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NUCLEACIÓN

Evidencia de dos núcleos del centro de la celda

eutéctica. Análisis del núcleo del grafito liminar

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NUCLEACIÓN Teoría del grafito

Basada en primer lugar en la asunción de que la nucleación ocurre en las partículas de grafitos contenidas en el metal fundido.

En el caso del papel del silicio como inoculante, la explicación se basa en que se forman zonas ricas en silicio que disminuyen la solubilidad del carbono provocando su precipitación en forma de grafito.

La debilidad de esta propuesta es que es necesario para esta condición que el Sr o el Ba estén presentes en cantidades suficientes para prevenir la redisolución del grafito

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NUCLEACIÓN Teoría del carburo del silicio (SiC)

La adición de silicio produce un reagrupamiento del Fe y el C, formando Fe3C, Posteriormente, el Si provoca la formación de compuestos Fe3Si, Fe5Si, FeSi, FeSi2

Reacción general

Fe3C + FeSi → SiC + 4Fe → FeSi + C(grafito)

Potencial de grafitización

+

−=SiC

SiP G 251112´

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NUCLEACIÓN Teoría del carburo de sales (Lux)

Los elementos calcio, estroncio y bario forman carburos del tipo CaC2, y la dirección de transición epitaxial entre las retículas de CaC2 y la del grafito es posible sin mayores cambios en las dimensiones reticulares. Bajo tales condiciones la energía interfacial entre el sustrato y el grafito será suficientemente baja que permitirá la nucleación extensiva del grafito.

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NUCLEACIÓN Teoría de los óxidos y sulfuros.

La nucleación ocurre sobre partículas de óxidos, sulfuro o nitruros.

En aleaciones tratadas con ferrosilicio-magnesio, se han encontrado en los núcleos las siguientes fases presentes: Centro : (Ca,Mg), (Sr,Ca,Mg), sulfuros Borde : (Mg, Al, Si, Ti), óxidos.

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NUCLEACIÓN Características de las inclusiones (sustratos) Fase Grupo espacial Sistema

cristalino Parámetro

reticular (ºA) T

Fusión (ºC) ∆GF

(kj/mol) (*) MgS Fm3m cúbico 5,191 2000 -232 CaS Fm3m cúbico 5,696 2450 -380 SrS Fm3m cúbico 6,020 2000 -370 BaS Fm3m cúbico 6,386 2227 -356

MgC2 - - - - - CaC2 Fm3m cúbico 5,86 2300 -106 SrC2 Fm3m cúbico 6,24 -93 BaC2 Fm3m cúbico 6,56 -96

MgO Fm3m cúbico 4,215 2832 -401 CaO Fm3m cúbico 4,811 2927 -466 SrO Fm3m cúbico 5,140 2665 -428 BaO Fm3m cúbico 5,539 2013 -395

(*) Energía libre estándar de formación a 1327º C.

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NUCLEACIÓN: Sustratos

Silicatos

MgO+SiO2→MgO.SiO2 (enstatita)

2MgO+SiO2→2MgO.SiO2

(forsterita)

Diagrama del sistema MgO-AL2O3-SiO2

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NUCLEACIÓN: Sustratos

El calcio es prácticamente insoluble en el hierro ( 0, 32 a 1600ºC. Debido a esto y su alta afinidad con el silicio se atribuye un papel fundamental en la nucleación del grafito Reacciones posibles:

CaO+SiO2→CaO.SiO2 (wollastonita)

3CaO+2SiO2→3CaO-2SiO2 (rankinita)

2CaO+SiO2→2CaO.SiO2 (bredigita)

3CaO+SiO2→3CaO.SiO2 (alita)

Diagrama del sistema CaO-Al2O3-SiO2

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FUNDICIÓN GRIS

NUCLEACIÓN: Características de las inclusiones (sustratos)

Fase Grupo espacial

Sistema cristalino

Parámetro reticular (ºA)

T Fusión (ºC)

∆GF

(kj/mol) (*) MgO.SiO2 Pbca ortorrómbico 18,2/8,86/5,204 1577 -1060

2MgO.SiO2 Pmnb ortorrómbico 4,76/10,20/5,99 1898 -1491 CaO.SiO2 P1 hexagonal 6,82/19,65 1125-1544 -1184 SrO.SiO2 hexagonal 7,127/10,115 1580 -1186 BaO.SiO2 hexagonal 7,500/10,467 1605 -1180

MgO.Al2O3..2SiO2 - - - - - CaO.Al2O3.2SiO2 hexagonal 5,133/14,743 1550 SrO.Al2O3.2SiO2 hexagonal 5,25/7,56 BaO.Al2O3.2SiO2 hexagonal 5,304/7,789 (1380)

MgO.6Al2O3 - - - - - CaO .6Al2O3 P63/mmc hexagonal 5,54/21,82 1850 SrO.6Al2O3 P63/mmc hexagonal 5,589/22,07 1800 BaO.6Al2O3 Pmnb hexagonal 5,607/22,90 (1400) -1491

(*) Energía libre estándar de formación a 1327º C.

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NUCLEACIÓN: Nuevo mecanismo general de la formación del grafito Un mecanismo de la formación del grafito, que no se encuentra normalmente en la metalurgia del hierro fundido, se refiere a los efectos de sustratos metálicos que actúan como catalizador para transformar el carbono de la fuente en grafito. En esta caso los primeros cristales de austenita primaria actúan como centros de nucleación.

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NUCLEACIÓN: Nuevo mecanismo general de la formación del grafito Fuente: Proposal of a New and General Mechanism for Graphite Formation in Cast Iron. By:Cees van de Velde Last revision:January 15, 2004 mailto:cvdv@home.nl

Los átomos de carbono de la capa del plano basal del grafito completan normalmente la secuencia de apilamiento ABC. La densidad del carbono depositado es mayor en la dirección del plano [111]

Cuadro 1, Efecto de la orientación de los planos en la cantidad de grafito superficial formada en una aleación del Fe-C de 0.9% C. A 760º .

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Modelo de nucleación del grafito en la estructura de la austenita.

Las posiciones de las capas B y de C de la estructura fcc de la austenita son cubiertas por las primeras capas del grafito.

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